40155

Основы радиоэлектроники и связи

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В ней рассматриваются способы математического представления сообщений сигналов и помех методы формирования и преобразования сигналов в электрических цепях вопросы анализа помехоустойчивости и оптимального приема сообщений основы теории информации и кодирования. Знания полученные в результате изучения дисциплины являются базой для глубокого усвоения материала по существующим и перспективным методам передачи информации сравнительному анализу этих методов и выявлению наиболее рациональных способов повышения эффективности радиоэлектронных...

Русский

2013-10-15

78 KB

19 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 1

1 ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ

1.1 Предмет, место и роль дисциплины

«Основы радиоэлектроники и связи»

Предметом изучения дисциплины «Основы радиоэлектроники и связи» являются методы анализа и синтеза радиотехнических систем, работающих в условиях помех. В ней рассматриваются способы математического представления сообщений, сигналов и помех, методы формирования и преобразования сигналов в электрических цепях, вопросы анализа помехоустойчивости и оптимального приема сообщений, основы теории информации и кодирования.

Знания, полученные в результате изучения дисциплины, являются базой для глубокого усвоения материала по существующим и перспективным методам передачи информации, сравнительному анализу этих методов и выявлению наиболее рациональных способов повышения эффективности радиоэлектронных систем.

1.2 Методические указания по изучению дисциплины

«Основы радиоэлектроники и связи»

При самостоятельном углубленном изучении дисциплины наряду с конспектом лекций можно использовать следующие учебники и учебные пособия:

  1.  Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. – М.: Высшая школа, 2005. – 510 с.
  2.  Карпов И.Г., Грибков А.Н. Основы радиоэлектроники и связи. Ч I. Основы оптимального радиоприёма: учебное пособие. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 80 с.
  3.  Карпов,  И.Г. Основы радиоэлектроники и связи: методические рекомендации / И.Г. Карпов, А.Н. Грибков. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 16 с.
  4.  Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2000. – 462 с.

1.3 Информация, сообщение и сигнал

Понятия информации и сообщения употребляется довольно часто. Эти близкие по смыслу понятия сложны и дать их точное определение через более простые  нелегко. Слово информация происходит от латинского informatio – разъяснение, ознакомление, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Мы живем в информационном мире. Все, что мы видим, слышим, помним, знаем, переживаем, – все это различные формы информации.   Совокупность сведений, данных, становится знанием лишь после их интерпретации с учетом ценности и содержания этих сведений.

Следовательно, информацию в широком смысле можно определить как совокупность знаний об окружающем нас мире.

В отличие от материального и энергетического ресурсов, информационный ресурс не уменьшается при потреблении, накапливается со временем, сравнительно легко и просто с помощью технических средств обрабатывается, хранится и передается на значительные расстояния.

Для передачи или хранения информации используют  различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) ее в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы в человеческой речи, жесты и рисунки, математические знаки и т.д. Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называют сообщением. Например, при разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отображающее не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и иные свойства речи. При передаче движущихся изображений в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.

Передача сообщений (а, следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого – либо материального носителя  (бумаги, магнитной ленты и т.д.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.). Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом.

В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных системах управления и связи чаще всего используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение. Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс (изменение параметров носителя) принято называть модуляцией.

Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление при передаче метрологических данных и т.п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.)

Сигнал передает (развертывает) сообщение во времени. Следовательно, он является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию x(t), принимающую только определенные дискретные значения х (например, 1 и 0), то его называют дискретным или дискретным по уровню (амплитуде). Точно также и сообщение, принимающее только некоторые определенные уровни, называют  дискретным. Если же сигнал (или сообщение) может принимать любые уровни в некотором интервале, то они называются непрерывными или аналоговыми.

В некоторых случаях сообщение  или сигнал задают не на всей оси времени,  а в определенные моменты  t. Такие сообщения (сигналы) называют дискретными по времени в отличие от непрерывных по времени, заданных на всей оси t.  Например,  речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий ее значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений,  непрерывных по величине, но дискретных по времени. Сигнал с конечным числом дискретных уровней часто называют цифровым, поскольку уровни можно пронумеровать числами с конечным числом разрядов.

Сообщение с помощью специальных устройств (датчиков) обычно преобразуется в электрическую величину b(t) - первичный сигнал. При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения – телевизионная камера. В большинстве случаев первичный сигнал является низкочастотным колебанием, которое отображает передаваемое сообщение.

В некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии. Так поступают, например, при обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю или радиоканалу) первичный сигнал преобразуется в высокочастотный.

Если бы передаваемое сообщение было детерминированным, т.е. заранее известным с полной достоверностью, то передача его не имела бы смысла. Такое детерминированное сообщение не содержит информации. Поэтому сообщения следует рассматривать как случайные события (или случайные величины, случайные функции). Другими словами, должно существовать некоторое множество вариантов сообщения (например, множество различных значений температуры выдаваемых датчиком), из которых реализуется с определенной вероятностью одно. Поэтому и сигнал является случайной функцией. Детерминированный сигнал не может быть носителем информации. Его можно использовать лишь для испытаний системы связи или отдельных ее элементов.

Случайный характер сообщений, сигналов, а также помех обусловил важнейшее значение теории вероятностей в построении теории связи. Как будет показано в последующих лекциях, вероятностные свойства сигналов и сообщений, а также среды, в которой передается сигнал, позволяют определить количество передаваемой информации и ее потери.

Описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени x(t). Определив, так или иначе, эту функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала не всегда требуется. Для решения ряда вопросов достаточно более общего описания в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования. Указывая габаритные размеры и массу, характеризуем основные свойства предмета с точки зрения условий его перевозки; другие свойства (например, цвет) с этой тоски зрения являются несущественными.

Сигнал также является объектом транспортировки, а техника связи по существу техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Т, его динамический диапазон D и ширина спектра F. Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Динамический диапазон – это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25…30 дБ, небольшого вокального ансамбля 45…65 дБ, симфонического оркестра 70…95 дБ. Во избежание перегрузок канала в радиовещании динамический диапазон часто сокращают до 35…45 дБ.

Ширина спектра сигнала F дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала. В системах связи реальную ширину спектра передаваемого сигнала часто сознательно сужают. Это связано с тем, что аппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сужают спектр исходя из допустимых искажений сигнала. В частности, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчива и абоненты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий достаточно передать речевой сигнал  в полосе от 0,3 до 3,4 кГц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, поскольку ведет к техническим усложнениям аппаратуры и увеличению затрат.

Можно ввести более общую и наглядную характеристику – объем сигнала: V = TFD. Он дает общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.

1.4. Общая модель радиотехнической системы

В общем виде структурная схема любой радиоэлектронной системы (далее, традиционно, радиотехнической системы (РТС)) имеет следующий вид

Отправитель, в распоряжении которого имеется информация от первичного источника, «закодированная» в значениях конкретных физических величин (например, уровня и высоты звука в радиовещании, интенсивности и цвета элемента изображения в телевидении и др.), с помощью преобразователя сообщение-волна взаимно однозначно отображает сообщение первичного источника в значения параметров (интенсивности, частоты, фазы и т.п.) радиоволн, посылаемых в канал распространения. Названное преобразование может быть продуктом осознанных действий отправителя, как, например, в системах передачи информации и тогда роль преобразователя сообщение-волна отводится передающему устройству, включающему в себя модулятор и передатчик. Возможен, однако, и такой вариант, когда сообщение «управляет» параметрами радиоволн независимо от волн отправителя, - так происходит, например, в радиолокации, где координаты лоцируемой цели автоматически преобразуются во время запаздывания и направление прихода отраженных от нее радиоволн.

Взаимно однозначная связь параметров волны с передаваемым сообщением позволяет на приемной стороне применить обратное преобразование волна-сообщение, придав принятой информации ту конкретную форму, которая требуется получателю. Обычный набор элементов, из которых состоит преобразователь волна-сообщение, это антенная система, приемник, демодулятор и др.

Наряду с радиоволнами, несущими полезную информацию, на преобразователь волна-сообщение реальной РТС воздействуют и помехи различной природы. Существуют виды помех, искажающие передаваемые электромагнитные волны уже в канале распространителя. К числу таковых относятся атмосферные помехи, обусловленные грозовыми разрядами и изменчивостью физических свойств атмосферы; индустриальные помехи, связанные с эксплуатацией электроустановок различного назначения; межсистемные помехи, создаваемые посторонними радиосредствами; преднамеренные помехи, умышленно излучаемые объектами, противодействующими той или иной РТС. Кроме того, помехи возникают и на самой приемной стороне, т.к. процессу преобразования волны в сообщение всегда сопутствуют шумы антенно-фидерного тракта и внутриприемные шумы.

Диалектика прогресса радиоэлектроники такова, что, сколь бы внушительными не выглядели в нейтрализации помех путем непосредственного воздействия на их источники (разработка новых образцов малошумящей приемоусилительной аппаратуры, совершенствование мероприятий по регламентации радиосвязи и электромагнитной совместимости и пр.), требования к качеству передачи и извлечения информации в РТС растут опережающими темпами.

1.5 Назначение и классификация радиотехнических систем

 

Радиотехнические системы (РТС) относятся к классу информационно-управляющих технических систем, осуществляющих извлечение, передачу или разрушение информации с помощью радиоволн. Характерным признаком радиосистемы является использование радиосигнала в качестве носителя информации.

Назначение информации - один из признаков классификации РТС. По этому признаку РТС можно подразделить на системы передачи информации, системы извлечения информации и системы разрушения информации, а также системы радиоуправления. В свою очередь, каждая из этих групп имеет свои разновидности, отличающиеся функциональным назначением системы.

Системы передачи информации включают системы радиосвязи (одноканальной, многоканальной, радиорелейной или через ИСЗ), телеметрии, передачи команд, радиовещания и телевидения.

К системам извлечения информации относятся радиолокационные и радионавигационные системы, системы радиоастрономии, радиоразведки радиотехнических средств противника.

Системы разрушения информации предназначены для создания условий, в которых работа радиосистем противника становится невозможной.

Системы радиоуправления служат для управления работой различных объектов с помощью радиосигналов.

По виду применяемых сигналов различают непрерывные, импульсные и цифровые радиосистемы. В непрерывных системах информация  отображается изменением параметров (амплитуды, частоты, фазы) непрерывного, обычно гармонического сигнала. В импульсных системах сигнал представляет собой последовательность радиоимпульсов, в которой информацию могут нести как изменяющиеся параметры отдельных импульсов (амплитуда, частота, фаза, длительность),  так и всей последовательности (число импульсов в последовательности, интервал между ними).

В цифровых системах передаваемый сигнал предварительно дискретизируется во времени и квантуется по уровню. Каждому уровню соответствует кодовая группа импульсов, которые и модулируют несущее колебание. Цифровые системы легко сопрягаются с ЭВМ, осуществляющими обработку и запоминание информации, воспроизводимой затем устройством отображения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29834. Постановка задач синтеза систем управления 96.5 KB
  Задачи синтеза систем управления. Методы синтеза систем управления. Инженерные методы структурно параметрического синтеза.
29835. Динамика нелинейных систем 222 KB
  Метод фазовой плоскости. Метод фазовой плоскости. Пространство координат которое является фазовой характеристикой и ее производные называется пространством состояний системы. След перемещения изображающей точки в фазовом пространстве соответствует изменению состояния системы и называется фазовой траекторией.
29836. Построение фазовой траектории методом изоклин 268.5 KB
  Построение фазовой траектории методом изоклин. Метод изоклин даёт направления касательных к фазовой траектории на фазовой плоскости.1 на семействе изоклин отметим точку А соответствующую начальным условиям из этой точки нужно провести два луча направления которых соответствуют углам наклона касательных данной изоклины и соседней разделить угол между лучами пополам и провести биссектрису до следующей изоклины пересечение биссектрисы со следующей изоклиной даёт следующую точку фазовой траектории далее процесс повторяется если...
29837. Методика построения фазового портрета автономной нелинейной системы управления 320.5 KB
  Методика построения фазового портрета автономной нелинейной системы управления. Анализ нелинейной системы управления в частотной области. Методика построения фазового портрета автономной нелинейной системы управления. Для нелинейной системы управления с кусочнолинейной статической характеристикой при построении фазового портрета используется следующий подход: На статической характеристике определяются зоны линейности.
29838. Преобразование линейной системой спектральных плотностей стационарного случайного процесса 322 KB
  Задачи исследования линейной системы управления при стационарных случайных воздействиях. 7 Если на входе системы случайный процесс то на выходе тоже случайный процесс и между входом и выходом существует зависимость. Определим взаимную спектральную плотность случайного процесса на входе и выходе линейной системы управления : Определим спектральную плотность между x и y: Взаимодействие двух процессов определяется и...
29840. АНАЛИЗ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 122.5 KB
  АНАЛИЗ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. Предмет и задачи курса теории управления. Принципы управления. Классификация систем управления.
29841. Дискретные системы управления. Математическое описание дискретных сигналов 325.5 KB
  Свойства спектра дискретного сигнала и погрешности восстановления непрерывного сигнала. Аналитическое представление такого сигнала Аналитическое представление АИМ сигнала – формула При представлении дискретного сигнала в виде числовой последовательности отсутствует время t поэтому к числовым последовательностям не применимы интегральные преобразования.
29842. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 252 KB
  МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. Моделирование объектов и систем управления начинается с их выделения из окружающей среды что всегда приводит к изучению принципов т.